På biodelen ger VG en bonuspoäng

Skrivning i termodynamik, jämvikt och biokemi, KOO081, KOO041, 2007-12-17 08.45-12.45 Hjälpmedel: bifogade konstanter, formler och omräkningsfaktorer, atomvikter samt egen miniräknare. För godkänt krävs minst 15 poäng per del, För VG krävs 25 poäng. Alla lösningar skall motiveras. För flervalsfrågorna gäller att alla korrekta alternativ måste vara identifierade och inga felaktiga alternativ valda, då får du 5 poäng, annars 0 poäng.

På termo och jämviktsdelen ger G en bonuspoäng och VG två bonuspoäng. På biodelen ger VG en bonuspoäng. Ett nytt försök anordnas i läsperiod 3 läsvecka 1. Bara den del som man missar måste man skriva om. Denna skrivning ger bara G och inga bonuspoäng.

Nästa sida lämnas in ifylld, markera flervalsfrågor med tydligt ring runt korrekta alternativ, fullständiga lösningar på del 1 bifogas.

Del 1 Termodynamik och jämvikt

1. Förorenad nickelmetall kan renas en två-stegs process. I steg 1 får Ni(s) reagera med kolmonoxid till Ni(CO)₄(g). Gasen samlas upp och i steg 2 återfås metalliskt nickel genom att vända på

reaktionen med hjälp av att ändra temperaturen.

a) Beräkna vid vilka temperaturer som respektive steg är spontana reaktioner vid standardtillstånd.

(Ange de antagande du gör!) (6p)

Steg 1 utförs ofta vid partialtryck som är högre än standardtryck.

b) Beräkna !G_r för steg 1 vid 100^oC om p[Ni(CO)₄] = 15.7 atm¹ och p[CO] = 3 atm. (4p)

Termodynamiska data vid 298 K

Ni(s) CO(g) Ni(CO)₄(g)

!Hf

o (kJ/mol) 0 - 110.52 - 602.9 Sm

o (JK^-1mol^-1) 29.87 197.56 410.6

2. En svag organisk syra, (HA, pK_a=4) har potentiellt miljöstörande egenskaper.

a. Beräkna pH i en vattenlösning med totalhalten HA = 0.05 mol/liter. (4p)

b. Anjonen till HA bildar ett svårlösligt salt med Pb²⁺; PbA₂, med K_sp = 10^-10, vad blir koncentrationen Pb²⁺ i en lösning mättad med PbA₂(s) och buffrad till pH=7? (4p)

c. Till lösningen i (b) sätter du ytterligare PbA₂(s). Hur förändras halterna av Pb²⁺ och A^-? (2p)

3. För att avgöra om denna svaga syra, HA, kommer att bioackumuleras i t.ex. fisk använder man sig av fördelningskoefficienten (partition coefficient) mellan vatten och oktanol, Kow, dvs hur mycket av HA som finns i vattenfasen respektive oktanolfasen vid jämvikt. Oktanol blir här en modell för t.ex. fet fisk, substanser som ”väljer” oktanolfasen framför vattenfasen, tenderar att tas upp och ackumuleras i den feta fisken.

a. HA, vatten och oktanol blandas i en separertratt och skakas. Formulera de jämvikter som kommer att inställa sig i detta system i kemiska och matematiska termer och tala om vad man behöver veta för att kunna beräkna samtliga koncentrationer i detta system. Betrakta vatten och oktanol som helt oblandbara. Syran HA är betydligt mer lösligt oktanol än i vatten och anjonen är helt olöslig i oktanol. (6p)

b. För fortsatt analys vill du att all HA ska finnas i oktanolfasen. Du har tillgång till mättad natriumkarbonatlösning och en 1 M HCl lösning. Vilken av dessa två ska du hälla i separertratten för att uppnå önskat resultat efter skakning? (2p)

c. Hur ska du försäkra dig om att all HA tillslut hamnar i oktanolafasen? (2p)

1 Detta värde är beräknat med Clausius-Clapeyrons ekvation.

Lämna in detta papper!

Namn:

Biokemi: 5 p per fråga 1. Om biologiska membran:

a. Har en viktig roll för att kontrollera in och utförsel av molekyler till cellen.

b. Är i huvudsak uppbyggda av proteiner med många hydrofoba grupper.

c. Den väldefinierade och stabila strukturen på membranet innebär att endast kovalent bindningar kan komma ifråga för att hålla ihop det.

d. Är i huvudsak uppbyggda av s.k. fosfolipider.

e. Fosfolipider består av fosfatgrupper med hydrofoba sockerkedjor

2. Om DNA molekylen i vattenlösning:

a. DNA är negativt laddad eftersom baserna är anjoner till organiska syror.

b. DNA är positivt laddad eftersom baserna är protonerade vid pH=7.

c. DNA är negativt laddad eftersom fosfatgrupperna är anjoniska.

d. DNA är negativt laddad eftersom fosfatgrupperna är katjoniska.

e. DNA är elektriskt neutralt

3. Vilken eller vilka av följande strukturer är en komponent i DNA eller RNA?

4. Vilka atompar bildar gärna vätebindningar med varandra:

a. A b. B c. C d. D e. E

5. Vad är korrekt om proteiner:

a. Med primärstruktur menar man själva aminosyrans lewisstruktur.

b. Med primärstruktur menar man vilka aminosyror och i vilken ordning de kommer.

c. Med sekundärstruktur menar man vilka aminosyror och i vilken ordning de kommer.

d. Med sekundärstruktur menar man t.ex. "-spiraler och #-flak e. Med sekundärstruktur menar man t.ex. "-spiraler och #-spiraler

6. Vad är sant för enzymer:

a. Enzymer gör reaktioner mer gynnsamma genom att ändra jämviktkonstanterna b. Enzymer katalyserar bara reaktioner som har ett negativt !G°_r.

c. Substratet måste binda till enzymet för att katalys ska kunna ske.

d. Ju starkare produkten binder till enzymet, desto lägre blir produktens fria energi och desto effektivare blir katalysen.

e. Ingen typ av katalys kan ändra jämviktskonstanterna.

N N N

H

P HN

N N H N O

H₂N

a b c d e

N N O

O H

HO H HO

H

H NH₂

H OH

OH OH

H N

N C C

CH₂ O

N C C

CH₂

N H

H H

H O

H H

C N C

CH₂

O C N

C CH₂ H

N

H H O H

H H

H H

A

B

C D

E

KONSTANTER OCH OMRÄKNINGSFAKTORER

Internationellt (av Codata) rekommenderade värden baserade på mätresultat tillgängliga 1986

c = 2.99792^.10⁸ m s^-1 h = 6.6261^.10^-34 J s N/_A = 6.0221^.10²³ mol^-1 e = 1.6022^.10^-19 C

F = 96485 C mol^-1 = 96.485 kJ V^-1 mol^-1 m_e = 9.10939^.10^-31 kg = 5.48580^.10^-4 u m_p = 1.67262^.10^-27 kg = 1.00728 u m_n = 1.67493^.10^-27 kg = 1.00866 u

R = 8.3145 J K^-1 mol^-1 = 0.083145 1 bar K^-1 mol^-1

= 0.082058 1 atm K^-1 mol^-1 = 62.364 1 Torr K^-1 mol^-1 1 bar = 10⁵ Pa = 10⁵ N m^-2

1 atm = 1.01325 bar = 101.325 kPa

1 Torr = 1/760 atm = 1.333224 mbar = 133.3224 Pa 1 Å = 10^-10 m

1 l = 10^-3 m³ 0 ºC = 273.15 K

Ekvivalenta energier

E/kJ mol^-1 E/kcal mol^-1 E/eV E/J T/K vågtal/cm^-1

1 0.23901 0.010364 1.6605^.10^-21 120.27 83.59

4.1840 1 4.3364^.10^-2 6.948^.10^-21 503.2 349.8

96.49 23.061 1 1.6022^.10^-19 1.1604^.10⁴ 8066

6.022^.10²⁰ 1.4393^.10²⁰ 6.242^.10¹⁸ 1 7.243^.10²² 5.034^.10²² 8.314^.10^-3 1.9872^.10^-3 8.617^.10^-5 1.3807^.10^-23 1 0.6950 1.196^.10^-2 2.859^.10^-3 1.240^.10^-4 1.986^.10^-23 1.439 1

Termodynamiska formler

H = U + PV G = H - TS

!U = q + w dw=-P_exdV C = q/!T

ln(P2/P1) = (!H°vap/R)·(1/T1 - 1/T2)

Gi = Gi° + RT·lnai; ämnet i har aktiviteten ai = Pi/P° (gaser) eller [i]/c° (ämnen i utspädd lösning) eller xi

(blandningar), för rena kondenserade faser är a_i = 1.

!_rG = !rG^o + RTlnQ Pi = xi·Pi(pure) (Raoults lag) s = k_H·P (Henrys lag)

!T_f = ikf·[a], där [a] uttrycks i mol/kg

!T_b = ik_b·[a], där [a] uttrycks i mol/kg

$ = iRT·[a], där [a] uttrycks i mol/dm³

ATOMVIKTER

aluminium 26,98154 magnesium 24,305

antimon 121,75 mangan 54,9380

argon 39,948 molybden 95,94

arsenik 74,9216 natrium 22,98977

barium 137,34 neodym 144,24

beryllium 9,01218 neon 20,179

bly 207,2 nickel 58,71

bor 10,81 niob 92,9064

brom 79,904 osmium 190,2

cerium 140,12 palladium 106,4

cesium 132,9054 platina 195,09

dysprosium 162,50 praseodym 140,9077

erbium 167,26 rhenium 186,2

europium 151,96 rodium 102,9055

fluor 18,99840 rubidium 85,4678

fosfor 30,97376 rutenium 101,07

gadolinium 157,25 samarium 150,4

gallium 69,72 selen 78,96

germanium 72,59 silver 107,868

guld 196,9665 skandium 44,9559

hafnium 178,49 strontium 87,62

helium 4,00260 svavel 32,06

holmium 164,9304 syre 15,9994

indium 114,82 tallium 204,37

iridium 192,22 tantal 180,9479

jod 126,9045 tellur 127,60

järn 55,847 tenn 118,69

kadmium 112,40 terbium 158,9254

kalcium 40,08 titan 47,90

kalium 39,098 torium 232,0381

kisel 28,086 tulium 168,9342

klor 35,453 uran 238,029

kobolt 58,9332 vanadin 50,9414

kol 12,011 vismut 208,9804

koppar 63,546 volfram 183,85

krom 51,996 väte 1,0079

krypton 83,80 xenon 131,30

kvicksilver 200,59 ytterbium 173,04

kväve 14,0067 yttrium 88,9059

lantan 138,9055 zink 65,38

litium 6,941 zirkonium 91,22

lutetium 174,97

Lösningsförslag

1.

I steg 1 sker reaktionen Ni(s) + 4CO(g) % Ni(CO)₄(g).

a) !Hr

o = !Hf

o[Ni(CO)4(g)] – 4!Hf

o[CO(g)] - !Hf

o[Ni(s)] = -602.9 – 4(-110.52) – 0 = -160.82kJ/mol

!Sr

o = S_m^o[Ni(CO)₄(g)] – 4S_m^o[CO(g)] - S_m^o[Ni(s)] = 410.6 – 4(197.56) – 29.87 = -409.51 JK^-1mol^-1.

!Gr

o = !Hr

o -T!Sr

o = -160820 + T409.51 = 0 då T = 160820/409.51 = 392.7K, dvs 119.5^oC. !Gr o <

0 under denna temperatur, så steg 1 spontant under 119.5^oC, steg 2 över.

b) !G_r = !G_r^o +RTlnQ där Q = {p[Ni(CO)₄(g)]/p^o}/{p[CO(g)]/p^o}⁴ = 15.7/81

!Gr = -160820 + (100+273.15)409.51 + 8.314(100+273.15)*ln(15.7/81) = -13.1 kJ/mol

2.

a. K_a = x²/(0.05-x) ger ungefärligt x= 2.236&10^-3 och pH = 2.65, (exakt lösning ger pH=2.66) b. pH är 7 och man kan misstänka att [HA] är försumbar. Kontroll: pH=pK_a+log[A^-]/[HA]) dvs [A^-]/[HA]=10³ , alltså är halten HA försumbar och vi kan använda bara löslighetsprodukten: K_sp = [Pb²⁺][A^-]² = 10^-10 och vi får x&(2x)² = 10^-10 och [Pb²⁺]=2.9&10^-4 mol/liter

c. Vi har redan en jämvikt mellan fast fas och lösning, halterna påverkas inte!

3.

a. HA(aq) ! HA(octanol) K_ow 1.

HA(aq) ! H+ + A^- K_a 2.

HA(oct) HA(aq) A- H+

start - s -

jämv a b c h

Där vi alltså startar med totalkoncentrationen s av HA i vatten. Vi får då ekvationerna:

a/b = K_ow c&h/b = K_a

För totalhalten måste vi veta volymerna också, V_oct och V_aq. s& V_aq = a&V_oct + b&V_aq + c&V_aq

Tillsist så vet vi att det blir lika många protoner som A^-. c=h

Detta ger fyra obekanta och fyra ekvationer (fast den sista är ju trivial så egentligen har vi bara tre obekanta och tre ekvationer). Det vi måste veta på förhand är de två jämviktskonstanterna, hur många mol HA vi tillsätter och volymerna av de två lösningsmedlen.

b.

Jämvikten 2 i vattenlösning ska skjutas åt vänster, mer HA, vilket görs genom att tillsätta syra, dvs 1 M HCl.

c.

Efter en första extraktion finns det kvar HA i vattenfasen (enl. jämvikt 1). Genom att avlägsna oktanolen och tillsätta ren oktanol och genomföra ett par extraktioner till kan man tillslut få ut nära 100% HA i de kombinerade oktanolfaserna. Man kan också förstå frågan som om hur man ska analysera att det inte finns någon HA kvar. Vilket man kan göra genom att tillsätta Pb²⁺ och se om man får någon fällning.

Biokemi: 5 p per fråga 1. Om biologiska membran:

a. Har en viktig roll för att kontrollera in och utförsel av molekyler till cellen.

b. Är i huvudsak uppbyggda av proteiner med många hydrofoba grupper.

c. Den väldefinierade och stabila strukturen på membranet innebär att endast kovalent bindningar kan komma ifråga för att hålla ihop det.

d. Är i huvudsak uppbyggda av s.k. fosfolipider.

e. Fosfolipider består av fosfatgrupper med hydrofoba sockerkedjor

2. Om DNA molekylen:

a. DNA är negativt laddad eftersom baserna är anjoner till organiska syror.

b. DNA är positivt laddad eftersom baserna är protonerade vid pH=7.

c. DNA är negativt laddad eftersom fosfatgrupperna är anjoniska.

d. DNA är negativt laddad eftersom fosfatgrupperna är katjoniska.

e. DNA är elektriskt neutralt

3. Vilken eller vilka av följande strukturer är en komponent i DNA eller RNA? (c)

4. Vilka atompar bildar gärna vätebindningar med varandra:

a. A b. B c. C d. D e. E

5. Vad är korrekt om proteiner:

a. Med primärstruktur menar man själva aminosyrans lewisstruktur.

b. Med primärstruktur menar man vilka aminosyror och i vilken ordning de kommer.

c. Med sekundärstruktur menar man vilka aminosyror och i vilken ordning de kommer.

d. Med sekundärstruktur menar man t.ex. "-spiraler och #-flak e. Med sekundärstruktur menar man t.ex. "-spiraler och #-spiraler

6. Vad är sant för enzymer:

a. Enzymer gör reaktioner mer gynnsamma genom att ändra jämviktkonstanterna b. Enzymer katalyserar bara reaktioner som har ett negativt !G°r.

c. Substratet måste binda till enzymet för att katalys ska kunna ske.

d. Ju starkare produkten binder till enzymet, desto lägre blir produktens fria energi och desto effektivare blir katalysen.

e. Ingen typ av katalys kan ändra jämviktskonstanterna.

N N N

H

P HN

N N H N O

H₂N

a b c d e

N N O

O H

HO H HO

H

H NH₂

H OH

OH OH

H N

N C C

CH₂ O

N C C

CH₂

N H

H H

H O

H H

C N C

CH₂

O C N

C CH₂ H

N

H H O H

H H

H H

A

B

C D

E